宁夏黄土区典型坡面表层土壤有机碳含量的空间变化特征及尺度效应*

韩新生 刘广全 许 浩 董立国 郭永忠 安 钰 万海霞 王月玲

（1. 中国水利水电科学研究院 北京 100038； 2. 宁夏农林科学院林业与草地生态研究所 宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室 宁夏生态修复与多功能林业综合研究中心 银川 750002）

土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是土壤的重要组分，占土壤有机质的60%～80%，与土壤的物质循环过程和能量流动特征关系密切，在提升土壤肥力、改良土壤结构、提供植物营养、改善植被生境等方面意义重大。SOC 一般富集在土壤表层（王一佩等，2020；王深华等，2021），主要源于植物、动物和微生物的残体、合成及分解产物、腐殖质等（张全军等，2012），直接关系到土壤的质量与健康（Zimmermanet al.，2011；余健等，2014），影响植物的产量质量及生态系统的生产力和稳定性（Zhuet al.，2018）。另外，SOC 库是陆地生态系统中最大的碳库（Schipperet al.，2007），约为植被和大气碳库的3 倍（Diffenbaughet al.，2013），对碳循环与碳平衡（Fanget al.，2007；周晓宇等，2010；Chenet al.，2012）、全球生态环境与气候变化（Postet al.，2000）等起重要作用。定量研究和精准预测SOC 含量的时空变化是陆地生态系统管理、碳收支计算、气候变化研究的重点内容。

SOC 含量动态取决于一段时间内碳输入和碳输出的差异。以往研究表明，SOC 含量的时间波动性和空间异质性受生物因素（植被类型与结构、植被恢复年限、人类活动特别是土地利用变化等）和非生物因素（土壤特性、地形地貌、气候变化等）的综合影响（周鑫等，2016），如Kirschbaum 等（2008）在澳大利亚研究发现，草地改造成人工林后18年内，其SOC含量持续下降；Friggens 等（2020）在苏格兰北部调查发现，荒地上种植乡土树种12年或39年后，SOC 含量并未增加；Kyaschenko 等（2017）在瑞典多年未受人为干扰的自然保护区研究发现，SOC 含量与生态系统肥力呈负相关；Yang 等（2022）在兰州市榆中县研究表明，垄沟覆盖玉米（Zea mays）秸秆能显著增加0～20 cm 土层SOC 含量；卫玮等（2019）在秦岭南坡调查显示，坡位和海拔是影响林地SOC 空间分异的主导立地因子；Zhang 等（2021）在宁夏六盘山区研究发现，天然林改为人工林后SOC 含量呈先降后升变化，草地和农地改为人工林后呈先微弱降低后升高趋势；徐占军等（2018）采用普通Kriging 插值法和分区Kriging 插值法预测了徐州九里煤炭开采沉陷区SOC含量的空间变化；祝元丽等（2021）结合无人机平台与土壤高光谱技术反演了比利时黄土和中国东北黑土的表层SOC 含量。以往研究多在较小的样地、林分尺度上开展，侧重评价植被类型及恢复年限对SOC 的作用；或在较大的流域尺度上开展，主要考虑土地利用及植被覆盖变化等对SOC 的影响，在中等尺度的坡面上研究较少（南雅芳等，2012；李龙等，2014；张美丽等，2017）。坡面作为开展植被建设及管理的基本空间单元，受林业生态工程、水保工程的影响，剧烈的土地利用变化与植被特征变化可能会加剧SOC 含量的空间异质性与尺度效应，但相关研究还很不足，限制了对SOC 时空变化的定量认识与精准管理。

本研究选取宁夏南部黄土区中庄小流域坡顶相连的3 个典型坡面，设置空间上连续的样点，于2021年10月测定各样点表层（0～20 cm）SOC 含量，分析SOC 含量的空间变异及滑动平均值随离坡顶距离增加的变化，探讨将特定样点实测SOC 含量尺度上推估算坡面平均值的转化方法，量化SOC 含量的坡面尺度效应，以期为细致刻画坡面土壤资源状况、全面理解生态系统碳循环、制定土壤高质量管理方案提供科学基础。

1 研究区概况

研究区位于宁夏固原市彭阳县的中庄小流域，面积88.38 km2，区内沟谷纵横，梁峁交错，海拔变化在1 248～2 418 m 之间。属典型温带半干旱大陆性季风气候，多年平均气温7.4～8.5 ℃，≥10 ℃的年积温2 500～2 800 ℃，年降水量350～550 mm，且主要集中在6—9月，年蒸发量1 360.6 mm，无霜期140～170 天。土层深厚，土壤类型以黄绵土和黑垆土为主。生态环境极为脆弱、水土流失严重。为减少土壤侵蚀、提高雨水利用率、增加作物产量与林木生长量，当地于21 世纪初相继开展“退耕还林还草”、“坡改梯”（坡耕地推成水平梯田）、“水平沟整地”等生态修复工程，坡面上多形成“上退下推”的景观格局。2021年在小流域各土地利用、立地环境、植被类型共采集0～20 cm 表层土壤样品1 548 份，化验得出SOC 含量平均为5.98±3.31 g·kg−1。

2 研究方法

2.1 坡面样点设置

选择坡顶相邻的3 个典型坡面（图1），东坡、西坡、南坡3 个坡面的最高海拔均为1 680 m，最低海拔分别为1 580、1 574 和1 575 m，坡面长度分别为293.1、346.1 和382.6 m，坡面平均坡度分别为19.9º、17.9º和16.0º，水平坡面长度分别为275.6、329.4 和367.8 m。

图1 研究坡面的位置Fig. 1 Locations of the study slopes

退耕前，坡面上部为荒山，下部为坡耕地。退耕后，坡面上部被水平沟截断成若干段间隔的坡地，植被盖度高；下部推成水平梯田，坡度接近0º。土壤侵蚀极微弱。在各坡面上，沿山顶向下设置调查样线（图1），在样线经过的隔坡和梯田的中间位置布设样点，调查每个样点的立地特征及主要植被种类等。隔坡上通过2 个样点间的坡面距离及坡度计算出水平距离，梯田上通过2 个样点间的水平距离及高差计算出坡面距离。东坡和西坡各26 个样点，南坡29 个样点。东坡上部17 个样点位于坡地，下部9 个样点位于梯田；西坡上部13 个样点位于坡地，下部13 个样点位于梯田；南坡上部17 个样点位于坡地，下部12 个样点位于梯田（表1）。

表1 坡面及样点的基本信息①Tab. 1 The basic information of slopes and sample points

2.2 SOC 测定

2021年10月中旬，在3 个坡面各样点按5 m间距设置4 个子样点取样，采集0～20 cm 表层土壤样品。将土样带回实验室风干，剔除植物根系等杂质，研磨后过100 目筛，加入0.5 mol·L-1盐酸去除无机碳，水洗，烘干，制样，置于Elementar TOC 总有机碳分析仪中测定SOC 含量，4 个子样点所测数据的均值为所在样点的SOC 含量。

2.3 数据处理

3 个坡面上，各样点表层SOC 含量的绝对值为样点表层SOC 含量的实测值；各样点表层SOC 含量的相对值为各样点表层SOC 含量的实测值与坡面均值的差值及比值。表层SOC 含量从坡顶向下随水平坡长增加的滑动加权平均值计算见式（1），当东坡、西坡、南坡的n分别为26、26 和29 时，计算得出所有样点的加权平均值，即为坡面加权平均值（坡面均值）：

式中：SSOCC 指表层SOC 含量的坡面均值；SSOCC1、SSOCC2、SSOCC3···SSOCCn指坡面从上至下各样点表层SOC 含量实测值（g·kg−1）；L1、L2、L3···Ln指各样点代表坡段的水平长度（m）或相对长度。

3 结果与分析

3.1 坡面表层SOC 含量的坡向差异

东坡表层SOC 含量变化在2.32～18.27 g·kg−1之间，变异系数67.20%；西坡和南坡分别变化在2.65～13.99和4.09～13.81 g·kg−1之间，变异系数分别为52.06%和39.59%。 表层SOC 含量的坡面均值在东坡为6.42 g·kg−1，比西坡（5.65 g·kg−1）高13.63%，比南坡（7.60 g·kg−1）低15.53%。

3.2 坡面表层SOC 含量绝对值的变化

由图2 可知，3 个坡面表层SOC 含量随离坡顶距离增大均呈先降低后稳定的变化。在东坡和西坡，当离坡顶水平距离200 和150 m（相对距离0.73 和0.45）后，表层SOC 含量趋于稳定；在南坡，当离坡顶水平距离280 m（相对距离0.76）后微弱升高。所有样点表层SOC 含量的变异系数均为弱变异性或中等变异性，其坡面变化与表层SOC 含量相似，且2 种土地利用差异显著（P＜0.05）。其中，坡地表层SOC 含量的变异系数（东坡、西坡、南坡分别为13.70%、12.99%、10.46%）显著高于梯田（9.02%、8.66%、5.24%），可能是整地和翻耕使梯田的表层SOC 含量比坡地更均匀。

图2 表层土壤有机碳含量随离坡顶水平距离和相对距离的变化Fig. 2 Variation of surface SOC content along the horizontal distance from slope top and relative distance from slope top

3.3 坡面表层SOC 含量相对值的变化

为定量评估表层SOC 含量的坡面变化特征，分析各样点表层SOC 含量与坡面均值的差值随离坡顶距离的变化（图3）。在东坡、西坡、南坡，从坡顶至离坡顶水平距离110、120 和150 m（相对距离0.40、0.36 和0.41）处，表层SOC 含量与坡面均值的差值逐渐下降，但基本均大于0；之后随距离增加，差值基本小于0，且呈降低后稳定或微弱升高的变化。

图3 表层土壤有机碳含量与坡面均值的差值随离坡顶水平距离和相对距离的变化Fig. 3 Variation of the difference of surface SOC content of plots to the slope average along the horizontal distance fromslope top and relative distance from slope top

为定量评价不同样点表层SOC 含量的坡面代表性，分析各样点表层SOC 含量与坡面均值的比值随离坡顶距离的变化（图4）。在东坡、西坡、南坡，从坡顶至离坡顶水平距离110、120 和150 m（相对距离0.40、0.36 和0.41）处，表层SOC 含量与坡面均值的比值逐渐下降，但基本均大于1；之后随距离增加，比值基本小于1，且呈降低后稳定或微弱升高的变化。由上可见，利用坡面顶部、中部或底部某点位表层SOC 含量代表整个坡面均值时可能有较大误差，存在很大不确定性。

图4 表层土壤有机碳含量与坡面均值的比值随离坡顶水平距离和相对距离的变化Fig. 4 Variation of the ratio of surface SOC content of plots to the slope average along the horizontal distance from slope top and relative distance from slope top

为从任意点位表层SOC 含量测定值换算坡面均值，实现表层SOC 含量由“点”到“面”的尺度转换，在3 个坡面分别建立各样点表层SOC 含量观测值与坡面均值的比值随离坡顶水平距离和相对距离的二项式拟合方程（表2），确定系数均在0.7 以上，且均在0.001 水平上极显著，拟合效果较好。基于拟合方程（表2）可由特定样点表层SOC 含量实测值估算坡面均值。

表2 表层土壤有机碳含量与坡面均值的比值（y）与离坡顶距离（x）的拟合关系Tab. 2 Fitting relationship between the ratio of surface SOC content of plots to the slope average (y) and the distance from slope top (x)

因各坡面长度不一致，且不同坡向拟合形成的方程难以具有普适性，故将3 个坡面所有样点数据融合在一起，分析表层SOC 含量实测值与坡面均值的比值随离坡顶相对距离的变化（图5）。从坡顶至离坡顶相对距离0.40 时，表层SOC 含量与坡面均值的比值逐渐下降，但均大于1；之后随距离增加，比值小于1，且呈降低后稳定的变化。以离坡顶相对距离为X值、表层SOC 含量与坡面均值的比值为Y值，拟合的二项式方程（Y= 2.550 3X2– 4.136 3X+ 2.219 8，R2=0.72，P＜0.001）效果较好。根据实测的坡面各样点表层SOC 含量及离坡顶相对距离，利用该方程估算东坡、西坡、南坡坡面均值（各样点的估算值）的平均数值（6.08、5.70 和7.96 g·kg−1）比实测表层SOC 含量坡面均值（6.42、5.65 和7.60 g·kg−1）分别低5.30%、高0.88%、高4.74%。因此，基于该方程可由特定样点表层SOC 含量实测值估算坡面均值，更具适用性。

图5 3 个坡面所有样点表层SOC 含量与坡面均值的比值随离坡顶相对距离的变化Fig. 5 Variation of the ratio of surface SOC content of all plots to the three slope averages along the relative distance from slope top

3.4 坡面表层SOC 含量的空间尺度效应

为定量理解坡面表层SOC 含量的尺度效应（即坡面加权平均值随坡长的变化），选择表层SOC 含量从坡顶向下随坡长增加的滑动平均值为指标，分析其随水平坡长和相对坡长增加的变化（图6）。3 个坡面的表层SOC 含量存在相似的坡面长度尺度效应，即随坡长增加，表层SOC 含量滑动平均值呈下降趋势，最大值基本均在坡顶，最小值均在坡底。东坡、西坡、南坡表层SOC 含量坡面滑动平均值变化范围分别为6.42～14.94、5.65～13.99、7.60～12.68 g·kg−1，变幅分别为8.52、8.34、5.08 g·kg−1。为分析表层SOC 含量的顺坡滑动平均值随水平坡长和相对坡长的变化，建立二者的数量关系（表3），其R2均在0.96 以上，且均在0.001 水平上显著，拟合效果较好。各坡面尺度效应存在差异，从坡顶到水平坡长300 m 处，东坡、西坡、南坡水平坡长平均每增加100 m，滑动平均值分别降低3.40、2.50、1.51 g·kg−1，即水平坡长坡面尺度效应分别为−3.40、−2.50、−1.51 g·kg−1(100 m)−1；从坡顶到相对距离1.0 处，东坡、西坡、南坡相对坡长平均每增加0.1， 滑动平均值分别降低0.96、 0.75、0.55 g·kg−1，即相对坡长坡面尺度效应分别为−0.96、−0.75、−0.55 g·kg−1(0.1)−1。可见，表层SOC 含量的坡面尺度效应在东坡最强，其次为西坡，南坡最弱。

表3 表层土壤有机碳含量的坡面滑动平均值（y）随坡长距离（x）增加而变化的拟合关系Tab. 3 Fitting relationship between the moving average (y) of surface SOC content and the distance (x) from slope top

3.5 表层SOC 含量的土地利用和植被特征差异

由图7 可知，2 种土地利用的表层SOC 含量存在差异，在3 个坡面上均表现为坡地显著（P＜0.001）高于梯田。对同一土地利用来说，坡地在各坡面间的差异不显著（P＞0.05），梯田在南坡与东坡间差异显著（P＜0.05）。东坡、西坡、南坡的坡地表层SOC 含量平均值分别为9.78、9.44、8.52 g·kg−1，变化范围分别为4.39～18.27、4.34～13.99、5.01～13.81 g·kg−1；东坡、西坡、南坡的梯田表层SOC 含量平均值分别为2.54、4.12、5.36 g·kg−1，变化范围分别为2.32～2.90、2.65～6.74、4.09～9.32 g·kg−1。

图7 3 个坡面上2 种土地利用表层土壤有机碳含量的差异Fig. 7 Differences of surface SOC content between two land use types on three slopes

将3 个坡面所有样点数据混合分析土地利用及植被类型对表层SOC 含量的影响（图8）。坡地草地和坡地林地的表层SOC 含量均显著（P＜0.01）高于梯田农地和梯田林地，坡地草地与坡地林地间、梯田农地与梯田林地间差异不显著（P＞0.05），说明土地利用对表层SOC 含量的影响强于植被类型；坡地草地、坡地林地、梯田农地、梯田林地表层SOC 含量平均值分别为9.47、9.67、3.83、5.14 g·kg−1，变化范围分别为4.39～18.27、4.34～13.99、2.32～6.85、3.60～9.32 g·kg−1。

图8 不同土地利用-植被类型表层土壤有机碳含量的差异Fig. 8 Differences of surface SOC content between different land use-vegetation types

4 讨论

4.1 坡面SOC 含量空间变异的影响因素分析

4.1.1 坡向影响 通常来说，随温度升高，SOC 的矿化速率和分解速率增大，相应地积累量减少（Reyet al.，2005），因此从坡向上看，阳坡的SOC 积累量应小于阴坡。李龙等（2014）发现内蒙古赤峰梯田SOC 含量的坡向差异为阴坡＞半阴坡＞半阳坡＞阳坡，并解释为阳坡日照时间长、温度高，植被蒸腾、土壤水分蒸发剧烈，水分亏缺限制固碳速率和SOC 积累，同时阳坡上的微生物活动更剧烈，SOC 分解更快；阴坡则恰好相反。余杭等（2020）在亚热带干热河谷和温带湿润山岭的调查结果也表明，阴坡SOC 含量均大于阳坡。本研究中，东坡即半阴坡的SOC 含量（6.42 g·kg−1）高于西坡即半阳坡（5.65 g·kg−1），与上述研究结果一致，但比较特殊的是，二者均低于南坡即阳坡的SOC含量（7.60 g·kg−1），原因可能是其他因素（如土地利用或植被类型的差异）的影响强度超过坡向。

4.1.2 植被类型影响 林草地土壤碳库积累主要源于自身凋落物、地上植被及地下根系残体、根系分泌物等的持续补充（Vesterdalet al.，2002），但农地土壤经常翻耕导致表层土壤结构破坏，透气性增加，微生物活性增强，SOC 分解速度加快（Chenet al.，2016），降低了SOC 含量（杨思存等，2019），且作物收获后植物残体不能归还到土体中，造成SOC 净亏缺，因此退耕还林后林草地表层SOC 含量常高于撂荒地（韩新辉等，2012）或坡耕地（张祎等，2019）。郭胜利等（2009）发现黄土区天然与人工恢复植被（乔木和灌木）的表层SOC 含量为耕地的1.8～8.0 倍，天然植被SOC 含量为人工植被的2～3 倍。崔东等（2016）发现伊犁河谷3 种植被类型中，表层SOC 含量最高为草地，其次为林地和园地，耕地最差。本研究也证实，自然恢复的林草植被表层SOC 含量高于人工林、更高于农作物，这也造成研究区坡面上部（自然林草）表层SOC 含量高于下部（人工林农）的格局，也解释了南坡平均表层SOC 含量高于东坡和西坡的原因。在3 个坡面上部均为自然林草植被且表层SOC 含量差异不显著的前提下，南坡下部梯田（植被种类以林木和苜蓿为主）的表层SOC 含量显著高于其余坡面下部梯田（植被种类以玉米、小麦、马铃薯等农作物为主）。可以说，坡面上植被分布及类型差异对表层SOC 含量的影响超过坡向。

4.1.3 植被恢复年限影响 从时间维度上看，SOC 含量增减与平衡取决于单位时间内的SOC 输入（植被凋落物数量及分解速率等）与SOC 输出（土壤矿化作用等）的差值（Davidsonet al.，2006）。Deng 等（2017）认为随退耕还林年限延长，地表凋落物及植物残体不断富集增加、降解转化，SOC 含量将显著提升。但也有不同例证，如Zhang 等（2021）发现六盘山区的农地转为林地后，土壤碳密度随林龄增加（0～40年）呈先微弱降低后升高的变化，可能是因造林等人为扰动导致土壤碳密度先下降，后随林龄增加，凋落物分解转化引起SOC 增加。Kirschbaum 等（2008）的观测结果表明，造林后18年时间内SOC 呈下降趋势，可能与造林前SOC 较高及观测年限较短有关。Wang等（2020）研究发现，随恢复年限延长，黄土高原地区的天然草、人工草、灌丛、人工林4 种植被类型的SOC 呈先升高后稳定的趋势，可能与SOC 含量越高土壤矿化作用越强有关；黄土丘陵区坡耕地恢复成刺槐林后50年内，土壤碳库各组分含量显著线性增加，主要因为原先坡耕地SOC 含量偏低及刺槐林可依靠生物的自肥作用增加SOC 含量。本研究坡面在退耕还林前，上部为荒山、下部为坡耕地，在退耕还林和坡改梯后近20年内，上部的林草植被恢复与生长较好，植被凋落物及残体等持续积累，促进表层SOC 含量逐步升高；而下部水平梯田上逐年翻耕，人为活动频繁，表层土壤结构破坏严重，地上农作物残体并未归还土壤，碳输入持续低于输出，导致表层SOC 含量降低或保持低稳状态。这2 个因素共同造成研究坡面上部表层SOC 含量显著高于下部。

4.1.4 坡位影响 本研究显示，随坡位降低，3 个坡面表层SOC 含量均逐渐减小，可能是因上部土地利用为自然状态的坡地，下部为扰动较大的梯田；且上部植被以沙棘和天然草为主，下部植被以农作物和苗圃地等为主。退耕还林后坡面林草地表层产流产沙量显著降低，尤其是产沙量（姜娜等，2011）。研究位点均在退耕后的林草地（覆盖度高、坡度小）或梯田上，土壤侵蚀极微弱。诸多学者发现SOC 含量坡位差异不完全一致，如低山丘陵区下坡SOC 含量显著高于上坡（周鑫等，2016），主要是因从上坡到下坡，土壤逐渐由侵蚀区过渡到堆积区，且坡位能独立解释SOC 含量空间变异的60%左右；山西绥德王茂沟流域SOC 含量在坡上和坡中最高，其次为坡下，坡顶最低（张祎等，2019），主要是因坡中上部植被类型多且完整，土壤侵蚀弱，坡下积累泥沙少且携带的SOC含量低，坡顶为耕地和果园，种类单一，人为翻耕频繁；陕西延安羊圈沟流域下坡位表层SOC 含量高于上坡位（Liet al.，2006），与长期耕作导致土壤从上向下迁移等有关。因各研究区植被类型、土地利用、人为活动、气候特征、地形地貌等差异，上述报道均与本研究结论不同，本研究结论是由不同坡位土地利用等条件差异导致的。还有学者在黄土丘陵区退耕小流域发现沟肩和峁坡表层SOC 含量高于沟谷（马南方等，2022），主要是地形和植被种类差异引起SOC 特征的空间变化，与本研究结果类似。

4.2 坡面SOC 含量的空间尺度效应定量描述

尺度效应指自然界中某指标特征值随时间或空间尺度增加（减小）而变化的现象，掌握尺度效应便于精准推算相关指标值。张桐等（2016）在六盘山土石山区调查发现，华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）林与灌丛土壤密度的坡面变化明显，从坡顶到坡脚，前者表现为先增加后稳定，主导因素为海拔等；后者则“增加-减小-增加”，主导因素为植被生长状况；并建立了土壤密度特征值由样地到坡面转换的模型。刘泽彬等（2018）在相同地区研究发现，华北落叶松林土壤质量含水量存在明显坡面尺度效应，随水平坡长增加，表现为先逐渐升高、之后逐渐降低、最后有所回升，并归因于土壤总孔隙度和持水能力、叶面积指数、植被生物量等因素的坡位差异。本研究在宁夏南部黄土区典型坡面上调查表明，表层SOC 含量也存在坡面尺度效应，即表层SOC 含量的滑动平均值从坡顶向下随水平（相对）坡长增加而降低，随水平坡长增加，东坡、西坡、南坡的坡面尺度效应分别为−3.40、−2.50、−1.51 g·kg−1(100 m)−1，随相对坡长增加，东坡、西坡、南坡的坡面尺度效应分别为−0.96、−0.75、−0.55 g·kg−1(0.1)−1，这主要因为影响表层SOC含量的因子（如土地利用、植被种类、人为扰动、恢复年限等）具有明显的坡位差异。东坡表层SOC 含量的坡面尺度效应最强，可能是因东坡下部的梯田植被均为玉米地，每年翻耕，人为扰动频繁，导致其与东坡上部的表层SOC 含量差异较大，但SOC 含量的坡面尺度效应随影响要素的变化，以及植被、地形、人为活动等多个因素在坡面尺度效应中的作用机制及贡献大小还需深入研究。此外，本研究限定在3 个典型坡面的表层土壤中，而表层以下SOC 含量的坡面尺度效应如何，及生物因子与非生物因子的影响如何随坡面特征变化，还有待进一步研究。

4.3 坡面土壤资源调查建议及尺度转换路径

以往土壤资源调查中，坡面上的整体情况往往是通过设置数量有限的典型样点或样地来测算的。但本研究显示，不同坡位样点表层SOC 含量的坡面代表性差异巨大，这也表明，想要得到相对精准的坡面特征值时，仅在坡面上调查数量不多的典型样点后计算坡面平均值难以满足需求。此外，花费大量人力物力和时间调查整个坡面的土壤资源是不现实的。基于此，本研究定量分析3 个坡面不同坡位样点表层SOC 含量与坡面均值的比值随离坡顶相对距离和水平距离的变化，表明均有较好关系，藉此可将任一坡位样点的表层SOC 含量调查值由样点尺度上推到坡面尺度，估算得出一定范围内较准确的坡面平均值，进而提出能够提高土壤资源调查的精度与效率的方法。

本研究仅在黄土区设置3 个相邻典型坡面（上部退耕还林水平沟整地，下部水平梯田整地）调查1 次表层SOC 含量，得出的研究结论仅能代表“上退下推”景观模式的典型坡面（从上至下的土壤迁移可忽略），不能说明连续坡面或阶段性连续坡面的SOC含量变化特征，得出的结论应用性和普适性有限。本研究利用拟合方程估算东坡、西坡、南坡坡面均值的平均数值比实测表层SOC 含量坡面均值分别低5.30%、高0.88%、高4.74%，在土壤资源碳储量调查时计算误差仍较大，主要原因可能是不同坡面各坡位的植被种类及恢复年限存在一定差异，也可能与设置的坡面数量相对较少有关。综上，一方面，还需选取足够多的相似恢复模式不同立地环境、植被类型及恢复年限等特征的坡面，进行不同年份的长期监测，在深入理解多种影响因子及其作用的基础上，准确量化SOC 含量的坡面变化规律，进而得到黄土丘陵区典型坡面上的普遍性规律；另一方面，也可选取大量的相似恢复模式相同植被类型及恢复年限的典型坡面（如坡面上部为天然草，下部为梯田玉米等），采用相似方法耦合估算模型，得到更为精准的、适用特定植被类型的SOC 含量坡面变化规律。上述2 种方法在构建坡面SOC 估算模型时需要一定的人力及物力，但建立的模型能够获得更为普遍或精准的坡面土壤资源特征值，对未来估算其他坡面土壤资源特征值上有很大帮助。

5 结论

在宁夏南部黄土区中庄小流域，于2021年生长季末期，选取坡顶相邻的3 个典型坡面，调查表层SOC 含量，并分析其坡面变化。结果显示：

1） 表层SOC 含量存在明显的坡向和坡位差异。表层SOC 含量的坡面平均值在南坡最高， 为7.60 g·kg−1，其次为东坡（6.42 g·kg−1），最低为西坡（5.65 g·kg−1）。3 个坡面表层SOC 含量的坡位变化大致相同，在东坡、西坡、南坡，从坡顶至离坡顶水平距离200、150、280 m（相对距离0.73、0.45、0.76）呈下降趋势，之后趋于稳定。

2） 表层SOC 含量受土地利用、植被类型及恢复年限等因素共同影响。坡面上部的坡地林草植被形成良好土壤碳平衡、下部的梯田农地翻耕频繁促进SOC 分解等原因导致坡地表层SOC 含量显著高于梯田；林草植被的凋落物及残体较多、农作物残体未归还土壤，林草植被退耕后自然恢复20年、梯田未形成良好土壤结构，植被类型及恢复年限共同造成坡面上的林地及草地表层SOC 含量均显著高于梯田上的农地及林地。

3） 表层SOC 含量具有坡面尺度效应且存在坡向差异。东坡、西坡、南坡水平坡长上的坡面尺度效应分别为−3.40、−2.50、−1.51 g·kg−1(100 m)−1，相对坡长上的坡面尺度效应分别为−0.96、−0.75、−0.55 g·kg−1(0.1)−1。

4） 表层SOC 含量从坡面上任一样点向整个坡面的尺度转换。构建3 个坡面（或所有数据融合）各样点表层SOC 含量实测值与坡面平均值的比值随离坡顶水平距离或相对距离增加而变化的数量关系，基于此，可将3 个坡面（或相似的任意坡面）任一样点的表层SOC 含量实测值通过已知关系推求得出较为可靠的坡面平均值，实现由“点”到“面”的尺度上推。